随着二氧化碳的增加植物的营养含量下降

一种随着空气中温室气体浓度的持续攀升，植物面临着一场名副其实的二氧化碳盛宴，它们与水和阳光一起利用二氧化碳进行光合作用。虽然多年的研究表明，这种大量的碳可以让一些植物长得更快更大，但今天(11月3日)发表在植物科学趋势杂志上的一篇文献综述表明，整个故事远没有那么令人鼓舞。

该综述整理了越来越多的证据，表明二氧化碳引发的光合作用增加(称为碳施肥效应)为植物健康提供了一个混合包，并将受高二氧化碳水平影响的分子机制拼凑在一起。一方面，增强的光合作用和随之而来的更高的碳水化合物产量提高了C3植物的生物量，C3植物是地球上绝大多数植被所在的植物群。但多项研究表明，这些植物(包括主要农作物)由于过量的碳吸收了较少的氮，从而降低了它们的营养价值和生态系统充当碳汇的能力。

生物地球化学家SamanthaWeintraub-Leff没有参与这项研究，但在美国全国生态观测站网络(NEON)研究类似问题正在推动作物和野生植物的这些变化。

“我们必须弄清楚如何解决这个问题，以确保我们不仅生产更多的食物，而且生产出我们需要的营养丰富的食物，”Weintraub-Leff告诉TheScientist。“这对人类福祉非常重要。我认为他们指出这一点并试图找出根本原因非常重要。”

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该综述列出并评估了四个主要假设，这些假设解释了为什么增加环境CO2暴露会导致矿物营养素浓度降低，尤其是氮素浓度，植物以硝酸盐的形式从土壤中获取氮素，这是一个关键的组成部分对于构成植物和食用它们的动物的分子。

假设的机制包括：直接稀释，其中总生物量和碳的增加导致其他所有物质的浓度降低;气孔的关闭，植物叶片的开口，一天中的时间更长，以及气孔变窄，这两者都会导致根部吸收的养分减少，并减少氮向枝条的运输;破坏促进氮还原反应的分子途径，氮还原反应将从土壤中提取的硝酸盐转化为可用的蛋白质;以及根部硝酸盐吸收系统失调。

Weintraub-Leff说：“我认为没有人会争论我们看到的碳氮比正在增加。”“与它们看到的碳量相比，植物的氮吸收总体上跟不上。本文的贡献在于试图了解这些机制。...这很重要，因为这样我们就可以想办法解决这个问题，尤其是在我们的农业生态系统中。”

作者认为，所有四个假设在这个问题上至少都起了很小的作用。但是，根据针对每个假设的已发表证据——主要由大豆(Glycinemax)、水稻和拟南芥等模型植物在室内暴露于不同水平CO2的实验组成——该评论的作者认为第三个和第四个假设得到更好的支持，并且可能比前两个发挥更突出的作用。这些假设都表明，空气和土壤中CO2浓度的增加会干扰基因表达和分子过程，这些过程通常赋予植物吸收和利用硝酸盐的能力。

“[这两个]假设之所以更有说服力，是因为它们专注于N特定机制，甚至是与硝酸盐相关的机制，”共同作者、法国国家科学研究中心的植物生物学家AntoineMartin评论道，通过电子邮件告诉科学家。

评论中引用的实验表明，增加的环境CO2会下调各种NRT基因，这些基因参与通过植物根部和从植物根部运输氮，以及RBCL等光合作用基因。然而，该评论指出，研究人员尚未积累大量关于这些特定遗传机制的长期数据，Martin补充说，他发现尽管光合作用增加了，但氮吸收却减少了，这一点特别令人惊讶。这种效应的机制尚未完全揭示。

澳大利亚莫纳什大学生物学家RoslynGleadow研究植物中的氮代谢，但并未参与该综述，他指出，高二氧化碳改变硝酸盐吸收和同化作用的假设在大约十年前首次提出时存在争议，但他们的证据已经建立。

“在二氧化碳浓度升高的情况下生长的植物中微量营养素含量较低，我一点也不感到惊讶，”她说。“这是我自己发现的，而且已经记录了很多次。有趣的是，这不仅仅是稀释效应。”

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该论文和与科学家交谈的专家都强调的一个关键要点是，这些变化给世界各地的农业和生态系统带来了麻烦。

Gleadow说：“对于我们这些在光合作用领域工作的人来说，越来越明显的是，光合作用只会从二氧化碳的增加中获益这么长时间，而且现在已经开始趋于平稳。”“因此，我们已经看到植物从大气中吸收二氧化碳、促进作物生长、增加树木生长的巨大好处——这将在未来十年左右趋于平缓。”

该评论指出，植物矿物质养分的减少会导致土壤和土壤微生物组的重要化合物耗尽，并破坏整个生态系统中氮和碳的循环流动。作者认为，通过基因工程使农作物更适应高CO2，​​或积极选择具有更适应性状的作物，将变得越来越重要。

“一旦这种负面反应的遗传决定因素被清楚地识别出来，作物基因编辑将成为一种相关的方法，”马丁写道。

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Weintraub-Leff说：“我认为我们真正可以为此做点什么的地方是农田。”“这不是微不足道的。”

她补充说：“我们需要在我们人为创造的这个二氧化碳排放量非常高的世界中加快[适应]速度。”

然而，她说，考虑到生活在非农业生态系统中的植物，这种策略变得不那么可行了，在非农业生态系统中，很难操纵植物及其生长的土壤。“我们在森林和草原上唯一能做的就是降低CO2”

Gleadow对此表示赞同，他认为单靠基因工程无法抵消持续的气候变化造成的破坏。“这是又一个警钟，表明我们绝对必须减少排放，”她说。“我认为基因编辑是一个很棒的工具，[但]它是否是答案，我真的不知道，我只是看不到这类事情在全球范围内广泛传播。”